缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望

陈润华 吴琼 罗婧宸 祖小龙 朱姗 孙永福

引用本文: 陈润华, 吴琼, 罗婧宸, 祖小龙, 朱姗, 孙永福. 缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100019. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052 shu
Citation:  Runhua Chen, Qiong Wu, Jingchen Luo, Xiaolong Zu, Shan Zhu, Yongfu Sun. Defective Ultrathin Two-Dimensional Materials for Photo-/Electrocatalytic CO2 Reduction: Fundamentals and Perspectives[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(3): 100019. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052 shu

缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望

    通讯作者: Email: xiaolongzu@xmu.edu.cn (X.Z.); Email: yfsun@ustc.edu.cn (Y.S.)
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2019YFA0210004

    国家重点研发计划 2022YFA1502904

    国家重点研发计划 2021YFA1501502

    国家自然科学基金 22125503

    国家自然科学基金 21975242

    国家自然科学基金 U2032212

    中国科学院青年创新促进会优秀会员 CX2340007003

    安徽省自然科学基金 2208085QB31

摘要: 太阳能、风能等可再生能源驱动的光/电催化还原二氧化碳(CO2)制碳基燃料是一种非常吸引人的资源再生和能源存储策略,这对中国实现碳达峰和碳中和战略具有重要意义。然而,CO2分子极高的热力学稳定性和极强的化学惰性导致CO2还原反应的转化效率和选择性仍然不理想,这严重限制了CO2转化技术的实际应用。得益于超薄的厚度、高比表面积和相对均一的暴露晶面等特性,二维超薄材料具有高活性、高密度以及高均一的催化位点,能够优化关键的热力学和动力学因素,进而有效改善CO2光/电还原性能。需要指出的是,缺陷态二维超薄材料中的富电子催化位点能够更高效地吸附和活化CO2分子,从而有效降低反应势垒,加速CO2还原并提高产物选择性。此外,二维超薄材料的缺陷结构也有助于催化过程中的质子传递和电子转移等行为,从而进一步提高催化剂的反应活性。本文综述了缺陷态二维超薄材料在CO2光/电催化还原方面的最新研究进展,详细介绍了几类常见的缺陷态二维超薄材料的可控制备方法和精细结构表征。结合典型实例,系统总结了表面缺陷结构对二维超薄材料的局域原子结构和电子结构的调制作用,以及对CO2还原性能的影响。最后,展望了缺陷态二维超薄材料在CO2还原领域所面临的挑战与机遇,为今后的研究提供了借鉴和启示。

English

    1. [1]

      Aresta, M.; Dibenedetto, A.; Angelini, A. Chem. Rev. 2014, 114, 1709. doi: 10.1021/cr4002758

    2. [2]

      Gao, S.; Lin, Y.; Jiao, X.; Sun, Y.; Luo, Q.; Zhang, W.; Li, D.; Yang, J.; Xie, Y. Nature 2016, 529, 68. doi: 10.1038/nature16455

    3. [3]

      Li, Y.; Li, F.; Laaksonen, A.; Wang, C.; Cobden, P.; Boden, P.; Liu, Y.; Zhang, X.; Ji, X. Ind. Chem. Mater. 2023, 1, 410. doi: 10.1039/D2IM00055E

    4. [4]

      Jiang, J.; Xiong, Z.; Wang, H.; Liao, G.; Bai, S.; Zou, J.; Wu, P.; Zhang, P.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 118, 15. doi: 10.1016/j.jmst.2021.12.018

    5. [5]

      Wu, Y.; Wu, M.; Zhu, J.; Zhang, X.; Li, J.; Zheng, K.; Hu, J.; Liu, C.; Pan, Y.; Zhu, J.; et al. Sci. China Chem. 2023, 66, 1997. doi: 10.1007/s11426-022-1595-9

    6. [6]

      常诚, 陈伟, 陈也, 陈永华, 陈雨, 丁峰, 樊春海, 范红金, 范战西, 龚成, 等. 物理化学学报, 2021, 37, 2108017. ] doi: 10.3866/PKU.WHXB202108017Chang, C.; Chen, W.; Chen, Y.; Chen, Y. H.; Chen, Y.; Ding, F.; Fan, C. H.; Fan, H. J.; Fan, Z. X.; Gong, C.; et al. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2108017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202108017

    7. [7]

      Bai, S.; Zhang, N.; Gao, C.; Xiong, Y. Nano Energy 2018, 53, 296. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.08.058

    8. [8]

      Sun, Y.; Gao, S.; Lei, F.; Xie, Y. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 623. doi: 10.1039/C4CS00236A

    9. [9]

      Wang, Y.; Liu, J.; Zheng, G. Adv. Mater. 2021, 33, 2005798. doi: 10.1002/adma.202005798

    10. [10]

      Zhou, W.; Fu, H. Inorg. Chem. Front. 2018, 5, 1240. doi: 10.1039/C8QI00122G

    11. [11]

      Jiang, J.; Li, F.; Bai, S.; Wang, Y.; Xiang, K.; Wang, H.; Zou, J.; Hsu, J. -P. Nano Res. 2023, 16, 4656. doi: 10.1007/s12274-022-5112-x

    12. [12]

      Jiang, J.; Ou-yang, L.; Zhu, L.; Zheng, A.; Zou, J.; Yi, X.; Tang, H. Carbon 2014, 80, 213. doi: 10.1016/j.carbon.2014.08.059

    13. [13]

      Zou, J.; Wu, S.; Liu, Y.; Sun, Y.; Cao, Y.; Hsu, J. -P.; Shen Wee, A. T.; Jiang, J. Carbon 2018, 130, 652. doi: 10.1016/j.carbon.2018.01.008

    14. [14]

      Jiao, X.; Hu, Z.; Li, L.; Wu, Y.; Zheng, K.; Sun, Y.; Xie, Y. Sci. China Chem. 2022, 65, 428. doi: 10.1007/s11426-021-1184-6

    15. [15]

      Li, X.; Wang, S.; Li, L.; Sun, Y.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 9567. doi: 10.1021/jacs.0c02973

    16. [16]

      Corma, A.; Garcia, H. J. Catal. 2013, 308, 168. doi: 10.1016/j.jcat.2013.06.008

    17. [17]

      Nitopi, S.; Bertheussen, E.; Scott, S. B.; Liu, X.; Engstfeld, A. K.; Horch, S.; Seger, B.; Stephens, I. E. L.; Chan, K.; Hahn, C.; et al. Chem. Rev. 2019, 119, 7610. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00705

    18. [18]

      Chang, X.; Wang, T.; Gong, J. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2177. doi: 10.1039/C6EE00383D

    19. [19]

      Ménard, G.; Stephan, D. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8396. doi: 10.1002/anie.201103600

    20. [20]

      陈瑶, 陈存, 曹雪松, 王震宇, 张楠, 刘天西. 物理化学学报, 2023, 39, 2212053. ] doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053Chen, Y.; Chen, C.; Cao, X. S.; Wang, Z. Y.; Zhang, N.; Liu, T. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212053. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053

    21. [21]

      Sun, Z.; Ma, T.; Tao, H.; Fan, Q.; Han, B. Chem 2017, 3, 560. doi: 10.1016/j.chempr.2017.09.009

    22. [22]

      Zhou, Y.; Wang, Z.; Huang, L.; Zaman, S.; Lei, K.; Yue, T.; Li, Z. A.; You, B.; Xia, B. Y. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003159. doi: 10.1002/aenm.202003159

    23. [23]

      Zhao, Y.; Chen, G.; Bian, T.; Zhou, C.; Waterhouse, G. I. N.; Wu, L. -Z.; Tung, C. -H.; Smith, L. J.; O'Hare, D.; Zhang, T. Adv. Mater. 2015, 27, 7824. doi: 10.1002/adma.201503730

    24. [24]

      Guan, M.; Xiao, C.; Zhang, J.; Fan, S.; An, R.; Cheng, Q.; Xie, J.; Zhou, M.; Ye, B.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10411. doi: 10.1021/ja402956f

    25. [25]

      Di, J.; Zhao, X.; Lian, C.; Ji, M.; Xia, J.; Xiong, J.; Zhou, W.; Cao, X.; She, Y.; Liu, H.; et al. Nano Energy 2019, 61, 54. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.029

    26. [26]

      Jiao, X.; Chen, Z.; Li, X.; Sun, Y.; Gao, S.; Yan, W.; Wang, C.; Zhang, Q.; Lin, Y.; Luo, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7586. doi: 10.1021/jacs.7b02290

    27. [27]

      Xue, X.; Chen, R.; Chen, H.; Hu, Y.; Ding, Q.; Liu, Z.; Ma, L.; Zhu, G.; Zhang, W.; Yu, Q.; et al. Nano Lett. 2018, 18, 7372. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b03655

    28. [28]

      Li, P.; Wang, F.; Wei, S.; Li, X.; Zhou, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 4405. doi: 10.1039/C6CP08409E

    29. [29]

      Li, H.; Tsai, C.; Koh, A. L.; Cai, L.; Contryman, A. W.; Fragapane, A. H.; Zhao, J.; Han, H. S.; Manoharan, H. C.; Abild-Pedersen, F.; et al. Nat. Mater. 2016, 15, 48. doi: 10.1038/nmat4465

    30. [30]

      Xu, L.; Jiang, Q.; Xiao, Z.; Li, X.; Huo, J.; Wang, S.; Dai, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5277. doi: 10.1002/anie.201600687

    31. [31]

      Wu, J.; Li, X.; Shi, W.; Ling, P.; Sun, Y.; Jiao, X.; Gao, S.; Liang, L.; Xu, J.; Yan, W.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 8719. doi: 10.1002/anie.201803514

    32. [32]

      Chen, X.; Liu, L.; Yu, P. Y.; Mao, S. S. Science 2011, 331, 746. doi: 10.1126/science.1200448

    33. [33]

      Zhao, Z.; Zhang, X.; Zhang, G.; Liu, Z.; Qu, D.; Miao, X.; Feng, P.; Sun, Z. Nano Res. 2015, 8, 4061. doi: 10.1007/s12274-015-0917-5

    34. [34]

      Zou, X.; Liu, J.; Su, J.; Zuo, F.; Chen, J.; Feng, P. Chem. - Eur. J. 2013, 19, 2866. doi: 10.1002/chem.201202833

    35. [35]

      Niu, P.; Yin, L. -C.; Yang, Y. -Q.; Liu, G.; Cheng, H. -M. Adv. Mater. 2014, 26, 8046. doi: 10.1002/adma.201404057

    36. [36]

      Li, X.; Sun, Y.; Xu, J.; Shao, Y.; Wu, J.; Xu, X.; Pan, Y.; Ju, H.; Zhu, J.; Xie, Y. Nat. Energy 2019, 4, 690. doi: 10.1038/s41560-019-0431-1

    37. [37]

      Lei, F.; Sun, Y.; Liu, K.; Gao, S.; Liang, L.; Pan, B.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6826. doi: 10.1021/ja501866r

    38. [38]

      Sun, Y.; Gao, S.; Lei, F.; Liu, J.; Liang, L.; Xie, Y. Chem. Sci. 2014, 5, 3976. doi: 10.1039/C4SC00565A

    39. [39]

      Sun, Y.; Liu, Q.; Gao, S.; Cheng, H.; Lei, F.; Sun, Z.; Jiang, Y.; Su, H.; Wei, S.; Xie, Y. Nat. Commun. 2013, 4, 2899. doi: 10.1038/ncomms3899

    40. [40]

      Xiong, Y.; Zhao, W.; Gu, D.; Tie, Z.; Zhang, W.; Jin, Z. Nano Lett. 2023, 23, 4876. doi: 10.1021/acs.nanolett.3c00524

    41. [41]

      Jiang, M.; Zhu, M.; Wang, M.; He, Y.; Luo, X.; Wu, C.; Zhang, L.; Jin, Z. ACS Nano 2023, 17, 3209. doi: 10.1021/acsnano.2c11046

    42. [42]

      Čížek, J. J. Mater. Sci. Technol. 2018, 34, 577. doi: 10.1016/j.jmst.2017.11.050

    43. [43]

      Gao, S.; Gu, B.; Jiao, X.; Sun, Y.; Zu, X.; Yang, F.; Zhu, W.; Wang, C.; Feng, Z.; Ye, B.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3438. doi: 10.1021/jacs.6b11263

    44. [44]

      Sun, Y.; Cheng, H.; Gao, S.; Liu, Q.; Sun, Z.; Xiao, C.; Wu, C.; Wei, S.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20294. doi: 10.1021/ja3102049

    45. [45]

      Wang, Z.; Zu, X.; Li, X.; Li, L.; Wu, Y.; Wang, S.; Ling, P.; Zhao, Y.; Sun, Y.; Xie, Y. Nano Res. 2022, 15, 6999. doi: 10.1007/s12274-022-4335-1

    46. [46]

      Shi, X.; Dong, X. A.; He, Y.; Yan, P.; Zhang, S.; Dong, F. ACS Catal. 2022, 12, 3965. doi: 10.1021/acscatal.2c00157

    47. [47]

      Liu, Y.; Xiao, C.; Li, Z.; Xie, Y. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600436. doi: 10.1002/aenm.201600436

    48. [48]

      Sun, X.; Zhang, X.; Xie, Y. Matter 2020, 2, 842. doi: 10.1016/j.matt.2020.02.006

    49. [49]

      Jiang, M.; Zhu, M.; Wang, H.; Song, X.; Liang, J.; Lin, D.; Li, C.; Cui, J.; Li, F.; Zhang, X. L.; et al. Nano Lett. 2023, 23, 291. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c04335

    50. [50]

      Gao, S.; Sun, Z.; Liu, W.; Jiao, X.; Zu, X.; Hu, Q.; Sun, Y.; Yao, T.; Zhang, W.; Wei, S.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 14503. doi: 10.1038/ncomms14503

    51. [51]

      Liang, L.; Ling, P.; Li, Y.; Li, L.; Liu, J.; Luo, Q.; Zhang, H.; Xu, Q.; Pan, Y.; Zhu, J.; et al. Sci. China Chem. 2021, 64, 953. doi: 10.1007/s11426-021-9967-9

    52. [52]

      Wang, H.; Bi, X.; Yan, Y.; Zhao, Y.; Yang, Z.; Ning, H.; Wu, M. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214946. doi: 10.1002/adfm.202214946

    53. [53]

      Jia, S.; Wu, L.; Xu, L.; Sun, X.; Han, B. Ind. Chem. Mater. 2023, 1, 93. doi: 10.1039/D2IM00056C

    54. [54]

      Wang, X.; Ma, S.; Liu, B.; Wang, S.; Huang, W. Chem. Commun. 2023, 59, 10044. doi: 10.1039/D3CC02843G

    55. [55]

      Zu, X.; Zhao, Y.; Li, X.; Chen, R.; Shao, W.; Wang, Z.; Hu, J.; Zhu, J.; Pan, Y.; Sun, Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 13840. doi: 10.1002/anie.202101894

    56. [56]

      Liu, K.; Li, X.; Liang, L.; Wu, J.; Jiao, X.; Xu, J.; Sun, Y.; Xie, Y. Nano Res. 2018, 11, 2897. doi: 10.1007/s12274-017-1943-2

    57. [57]

      Ling, P.; Zhu, J.; Wang, Z.; Hu, J.; Zhu, J.; Yan, W.; Sun, Y.; Xie, Y. Nanoscale 2022, 14, 14023. doi: 10.1039/D2NR02364D

    58. [58]

      Zhu, S.; Li, X.; Jiao, X.; Shao, W.; Li, L.; Zu, X.; Hu, J.; Zhu, J.; Yan, W.; Wang, C.; et al. Nano Lett. 2021, 21, 2324. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c00383

    59. [59]

      Zhu, J.; Shao, W.; Li, X.; Jiao, X.; Zhu, J.; Sun, Y.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18233. doi: 10.1021/jacs.1c08033

    60. [60]

      Jiao, X.; Zheng, K.; Liang, L.; Li, X.; Sun, Y.; Xie, Y. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 6592. doi: 10.1039/D0CS00332H

    61. [61]

      Chen, Z.; Concepcion, J. J.; Brennaman, M. K.; Kang, P.; Norris, M. R.; Hoertz, P. G.; Meyer, T. J. Proc. Natl. Acad. Sci. 2012, 109, 15606. doi: 10.1073/pnas.1203122109

    62. [62]

      Liang, L.; Li, X.; Sun, Y.; Tan, Y.; Jiao, X.; Ju, H.; Qi, Z.; Zhu, J.; Xie, Y. Joule 2018, 2, 1004. doi: 10.1016/j.joule.2018.02.019

    63. [63]

      Shi, J.; Cui, H. N.; Liang, Z.; Lu, X.; Tong, Y.; Su, C.; Liu, H. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 466. doi: 10.1039/C0EE00309C

    64. [64]

      Kong, M.; Li, Y.; Chen, X.; Tian, T.; Fang, P.; Zheng, F.; Zhao, X. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 16414. doi: 10.1021/ja207826q

    65. [65]

      Bi, W.; Ye, C.; Xiao, C.; Tong, W.; Zhang, X.; Shao, W.; Xie, Y. Small 2014, 10, 2820. doi: 10.1002/smll.201303548

    66. [66]

      Hou, J.; Cao, S.; Wu, Y.; Liang, F.; Sun, Y.; Lin, Z.; Sun, L. Nano Energy 2017, 32, 359. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.12.054

    67. [67]

      Huygh, S.; Bogaerts, A.; Neyts, E. C. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 21659. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b07459

    68. [68]

      Shao, W.; Li, X.; Zhu, J.; Zu, X.; Liang, L.; Hu, J.; Pan, Y.; Zhu, J.; Yan, W.; Sun, Y.; et al. Nano Res. 2022, 15, 1882. doi: 10.1007/s12274-021-3789-x

    69. [69]

      Ye, F.; Zhang, S.; Cheng, Q.; Long, Y.; Liu, D.; Paul, R.; Fang, Y.; Su, Y.; Qu, L.; Dai, L.; et al. Nat. Commun. 2023, 14, 2040. doi: 10.1038/s41467-023-37679-3

    70. [70]

      Sun, Y.; Sun, Z.; Gao, S.; Cheng, H.; Liu, Q.; Piao, J.; Yao, T.; Wu, C.; Hu, S.; Wei, S.; et al. Nat. Commun. 2012, 3, 1057. doi: 10.1038/ncomms2066

    71. [71]

      Li, Z.; Cao, A.; Zheng, Q.; Fu, Y.; Wang, T.; Arul, K. T.; Chen, J. -L.; Yang, B.; Adli, N. M.; Lei, L.; et al. Adv. Mater. 2021, 33, 2005113. doi: 10.1002/adma.202005113

    72. [72]

      Zhang, B.; Zhang, J.; Hua, M.; Wan, Q.; Su, Z.; Tan, X.; Liu, L.; Zhang, F.; Chen, G.; Tan, D.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13606. doi: 10.1021/jacs.0c06420

    73. [73]

      Peng, C.; Luo, G.; Zhang, J.; Chen, M.; Wang, Z.; Sham, T. -K.; Zhang, L.; Li, Y.; Zheng, G. Nat. Commun. 2021, 12, 1580. doi: 10.1038/s41467-021-21901-1

    74. [74]

      Li, F.; Anjarsari, Y.; Wang, J.; Azzahiidah, R.; Jiang, J.; Zou, J.; Xiang, K.; Ma, H.; Arramel. Carbon Lett. 2023, 33, 1321. doi: 10.1007/s42823-022-00380-4

    75. [75]

      Wang, J.; Jiang, J.; Li, F.; Zou, J.; Xiang, K.; Wang, H.; Li, Y.; Li, X. Green Chem. 2023, 25, 32. doi: 10.1039/D2GC03160D

    76. [76]

      Wang, J.; Qin, Q.; Li, F.; Anjarsari, Y.; Sun, W.; Azzahiidah, R.; Zou, J.; Xiang, K.; Ma, H.; Jiang, J.; et al. Carbon Lett. 2023, 33, 1381. doi: 10.1007/s42823-022-00401-2

    77. [77]

      Lei, W.; Zhou, T.; Pang, X.; Xue, S.; Xu, Q. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 114, 143. doi: 10.1016/j.jmst.2021.10.029

    78. [78]

      Wang, W.; Duan, J.; Liu, Y.; Zhai, T. Adv. Mater. 2022, 34, 2110699. doi: 10.1002/adma.202110699

    79. [79]

      Yang, S.; Jiang, M.; Zhang, W.; Hu, Y.; Liang, J.; Wang, Y.; Tie, Z.; Jin, Z. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301984. doi: 10.1002/adfm.202301984

    80. [80]

      Wang, S.; Hai, X.; Ding, X.; Chang, K.; Xiang, Y.; Meng, X.; Yang, Z.; Chen, H.; Ye, J. Adv. Mater. 2017, 29, 1701774. doi: 10.1002/adma.201701774

    81. [81]

      Luo, S.; Li, X.; Wang, M.; Zhang, X.; Gao, W.; Su, S.; Liu, G.; Luo, M. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 5647. doi: 10.1039/D0TA01154A

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  164
  • HTML全文浏览量:  9
文章相关
  • 发布日期:  2025-03-15
  • 收稿日期:  2023-08-31
  • 接受日期:  2023-10-17
  • 修回日期:  2023-10-04
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章